Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ ANH TUẤN MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT SAI SỐ CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 62520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2014 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1.
- Vị trí và hướng của khâu thao tác được xác định bởi các tham số đặc trưng cho kích thước hình học (gọi là các tham số hình học) của robot và các tham số động học đặc trưng cho chuyển động của các khâu.
- Thực tế, các tham số hình học và động học của robot luôn tồn tại các sai số.
- Các sai số này ảnh hưởng đến độ chính xác định vị của khâu thao tác về vị trí và hướng của nó.
- Đã có các công trình nghiên cứu về độ chính xác của robot, về sai số hình học, động học của robot, song vẫn còn rất nhiều vấn đề về độ chính xác, về sai số của robot công nghiệp cần phải tiếp tục nghiên cứu.
- Do vậy đề tài “Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp” được tác giả lựa chọn.
- Mục đích nghiên cứu Xây dựng cơ sở khoa học để khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của sai số của các khâu, khớp trung gian đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot, hoặc ngược lại, xác định giá trị các sai số của các khâu, khớp trung gian khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, là cơ sở để đảm bảo độ chính xác của robot.
- Phạm vi nghiên cứu: theo nhiều tài liệu đã được công bố tác giả thấy rằng ảnh hưởng của sai số hình học, động học (sai lệch kích thước dài, kích thước góc, biến khớp) lớn hơn nhiều so với sai số phi hình học (biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt, độ mềm, khe hở.
- Do vây, nội dung luận án tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình sai số 2 biểu diễn mối quan hệ giữa các sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian với sai lệch vị trí và hướng khâu thao tác của robot.
- Trình bày khái quát về robot công nghiệp, về sai số và độ chính xác, phân tích ảnh hưởng của sai lệch khâu thao tác của robot tới chất lượng sản phẩm và trình bày một số nghiên cứu trong và ngoài nước về sai số trong robot.
- Chương 2: Khảo sát động học robot công nghiệp.
- Khảo sát động học của một số robot.
- Chương 3: Sai số và phương pháp mô hình hoá sai số.
- Trong chương này của luận án trình bày các nguồn gây ra sai số hình học, động học trong khâu, khớp robot.
- Đưa ra các mô hình sai số của khâu, khớp robot, xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa sai số của các tham số hình học, động học của khâu, khớp và sai lệch vị trí, hướng khâu thao tác của robot.
- Chương 4: Khảo sát sai số robot công nghiệp.
- Đưa ra thuật toán và chương trình để khảo sát sự ảnh hưởng của sai số hình học, động học của khâu, khớp tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
- Chương 5: Nghiên cứu phương pháp xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot.
- Tiến hành thiết lập mối quan hệ về mặt toán học và vận dụng công cụ hiện đại để tìm giá trị của các sai số hình học, động học trong các khâu, khớp khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
- Xây dựng được mô hình sai số hình học, động học của một số cấu trúc robot công nghiệp phổ biến, phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu về vấn đề sai số trong robot công nghiệp.
- Mô hình sai số cho phép xác định, đánh giá hoặc dự đoán được độ chính xác của robot trên cơ sở phạm vi sai số của các khâu, khớp robot đã được xác định, giúp cho người thiết kế đề ra yêu cầu về dung sai của các khâu của robot một cách hợp lý trong quá trình thiết kế chế tạo nhằm đạt được điều kiện giới hạn về sai lệch của khâu thao tác.
- mô hình sai số hình học, động học.
- giải thuật và chương trình xác định sai số cho phép ứng dụng khi tính toán thiết kế, chế tạo robot công nghiệp nhằm đảm bảo cho robot đạt độ chính xác tốt hơn.
- TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp 1.2 Thao tác của robot công nghiệp 1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp 1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot 1.3.1.1 Tổng quan về sai số Robot được cấu tạo từ bộ phận khác nhau, khi chế tạo và thiết lập các bộ phận thì không thể tránh khỏi những sai số, sai lệch, do vậy trong robot luôn tồn tại các sai số.
- Có nhiều nguyên nhân gây sai số.
- 4 - Rung động, sai số trong các cảm biến, hệ thống đo.
- Phân loại các sai số trong robot: sai số hình học, động học và sai số phi hình học .
- Sai số hình học, động học là các sai số do dung sai chế tạo, lắp ráp gây ra sai lệch về kích thước dài, kích thước góc, khe hở của các khâu, khớp.
- Sai số phi hình học là các sai số do tải trọng, lực tác dụng, biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt, ma sát.
- 1.3.1.2 Độ chính xác của robot Độ chính xác của robot phản ánh qua mức độ sai lệch vị trí và hướng khâu thao tác, mức độ sai lệch lại phụ thuộc giá trị sai số trong các khâu, khớp robot.
- Để làm rõ hơn vấn đề trên, ta xét ví dụ sau: Hình 1-1: Mô hình robot 1 khâu và mô hình toán của nó Từ Hình 1-1 a ta xác định được tọa độ xp và yp biểu diễn vị trí của điểm p khi L và q không có sai số.
- Do vậy, cần nghiên cứu về sai số trong robot để có thể khử, bù sai số nhằm làm tăng độ chính xác cho robot.
- 1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot Sai số trong các khâu, khớp trung gian sẽ gây ra sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, làm cho quỹ đạo khâu thao tác không bám theo quỹ đạo mong muốn, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm khi sử dụng robot.
- 1.4 Một số nghiên cứu về độ chính xác của robot Các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu tập trung vào sai số hình học, động học.
- Có hai phương pháp để thiết lập mô hình sai số: phương pháp thứ nhất, mô hình sai số phổ biến là phương pháp lấy vi phân ma biến đổi tọa độ thuần nhất và khi thiết lập mô hình sai số, để dễ dàng tính toán thì bỏ qua các phần tử ở thứ hạng từ bậc 2 trở đi.
- Phương pháp thứ hai, mô hình sai số bằng cách lấy vi phân trực tiếp từ phương trình động học, các nghiên cứu về mô hình sai số theo phương pháp này còn ít và mới chỉ dừng lại biểu diễn mối quan hệ 5 sai lệch vị trí với các sai số của khâu, khớp, chưa biểu diễn đầy đủ cả sai lệch vị trí và hướng.
- Ở trong nước, hiện tại các nghiên cứu được công bố chủ yếu là đưa ra mô hình và đi tìm lời giải bài toán động học, động lực học phục vụ điều khiển chuyển động mà chưa có nhiều nghiên cứu sâu về mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp cũng như là phương pháp xác định giá trị sai số khi biết được sai lệch vị trí và hướng của robot.
- 1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài Phân tích các nguồn sai số trong robot, dựa trên phương pháp lấy vi phân phương trình động học để thiết lập mô hình sai số biểu diễn mối quan hệ của các sai số trong các khâu, khớp robot với cả sai lệch vị trí và hướng cho ba cấu trúc robot công nghiệp phổ biến: nối tiếp chuỗi hở, mạch vòng và song song.
- Đưa ra giải thuật, chương trình để khảo sát động học, khảo sát ảnh hưởng của sai số và xác định giá trị sai số khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng.
- 1.6 Kết luận chương 1 Qua kết quả nghiên cứu tài liệu đã được công bố tác giả thấy rằng cần tiếp tục nghiên cứu để làm rõ về vấn đề sai số trong robot và đưa ra được mô hình sai số biểu diễn đầy đủ cả sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác cho một số robot công nghiệp có cấu trúc phổ biến.
- Thiết lập phương trình động học, đưa ra thuật toán, chương trình giải bài toán động học, khảo sát ảnh hưởng của sai số trong khâu, khớp trung gian tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
- Thiết lập quan hệ về mặt toán học và vận dụng công cụ hiện đại để xác định sai số khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
- 2.2 Thiết lập phương trình động học robot 2.2.1 Ma trận trạng thái khâu thao tác của robot - Theo tọa độ thao thác .
- (2.19) 7 - Theo cấu trúc động học: 001n1n12 nT T T.
- (2.27) Ta có hệ phương trình động học .
- Kết quả tính toán được mô phỏng động cho thấy tính đúng đắn lời giải của bài toán động học, tạo cơ sở cho việc xây dựng mô hình sai số, khảo sát và xác định sai số được thực hiện ở các chương tiếp theo được đúng đắn và tin cậy.
- SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA SAI SỐ 3.1 Các nguồn gây sai số 3.1.1 Sai số hình học, động học Sai số hình học, động học là sai Hình 3.1: Các sai số trong khớp trượt 12 lệch kích thước dài, kích thước góc do dung sai chế tạo, lắp ráp, độ rơ của các khâu, khớp.
- 3.1.1.1 Sai số trong khớp trượt Do tồn tại dung sai chế tạo, sai số lắp ráp.
- 3.1.1.2 Sai số trong khớp quay Trong quá trình gia công chế tạo các lỗ để lắp ổ trục khớp quay không được như mong muốn do tồn tại dung sai chế tạo, sai số lắp ráp.
- nên gây ra các sai số.
- 3.1.2 Sai số phi hình học Là các sai số do biến dạng đàn hồi của các khâu, khớp dưới tác dụng của lực, mô men, sự giãn nở nhiệt, sai số trong chương trình tính toán do làm tròn số, các cảm biến, hệ thống đo, sự mài mòn.
- 3.2 Phương pháp mô hình hoá sai số 3.2.1 Phương pháp vi phân ma biến đổi tọa độ thuần nhất Ma trận truyền khi có sai số: eii iTTdT (3.13) Theo phương pháp mô hình D-H ta có biểu thức xác định idT như sau: ii iiii iiiiiiiTT TTdT d d da ddqad.
- (3.14) Khi hai khớp quay song song, thêm thành phần sai số id thì idT: ii iiiii iii iiiiiiTT TTTdT d d da dd dqad.
- (3.16) Hình 3.2: Các sai số trong khớp quay 13 Mô hình sai số của robot là: 112 211.
- Bỏ qua những sai số thứ hạng bậc cao thứ 2 trở đi, (3.20) sẽ là: 111.
- Phương pháp vi phân phương trình động học 3.2.2.1 Mô hình sai số robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở Từ ba phương trình đầu của (2.28), ta có: (,)pqrrqs (3.37) Từ ba phương trình cuối của (2.28), ta có.
- Vì sai số của các tham số động học (biến khớp) q của các khớp robot là nhỏ nên ta có thể coi giá trị sai số của các tham số này chính là giá trị vi phân của chúng, do đó qdq.
- Như vậy các phương trình là mô hình sai số biểu diễn mối quan hệ giữa sai số của các tham số động học và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot.
- Tương tự như vậy, các tham số hình học s cũng có tồn tại sai số nên cũng được coi như là các biến của phương trình và giá trị sai số của các tham số hình học s cũng được xem như là vi phândscủa chúng và gây ra chuyển động vi phân của khâu thao tác được xem như là giá trị sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác theo ba trục tọa độ trong hệ tọa độ cơ sở.
- Bằng cách lấy vi phân hai vế của phương trình ta có mô hình toán học biểu diễn 15 mối quan hệ giữa sai số của các tham số hình học và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot như sau: ()pTsdr s J ds pRs pRsJdps J ds dps J J ds.
- (3.50) Từ các hệ phương trình và (3.48) ta có mô hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa sai số của các tham số hình học, động học và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác của robot như sau: pTq Tsdr J dq J ds (3.51).
- (3.52) Như vậy, ta có mô hình sai số của robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở như sau: 11Tq TspMpRq pRsJJdr dqde JdeJJ JJdp ds.
- Mô hình sai số robot cấu trúc mạch vòng Bằng phương pháp như đã trình bày ở trên, lấy vi phân hai vế hai phương trình đầu của (2.48) ta nhận được: EPq Ps Pq PsEdxdqJdq Jds J Jdyds.
- Mô hình sai số robot cấu trúc song song Lấy vi phân hai vế của (2.61) và biến đổi phương trình ta có mô hình sai số của robot song song: 11 11Mpq ps pqpsdqdp de J J dq J J ds J J J J Jdeds.
- (3.76) 3.3 Kết luận chương 3 Nội dung chương này đã xây dựng được mô hình sai số biểu diễn quan hệ của các sai số khâu, khớp trung gian với đầy đủ cả sai lệch vị 17 trí và hướng của khâu thao tác cho ba cấu trúc robot công nghiệp phổ biến: cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, cấu trúc mạng vòng và song song.
- Mô hình sai số robot công nghiệp mà luận án đề xuất bằng cánh lấy vi phân trực tiếp từ phương trình động học cho phép biểu diễn đầy đủ quan hệ cả sai lệch vị trí và hướng với tất cả các sai số khâu, khớp mà không phải bỏ qua sai số bậc cao khi tính toán, giúp cho việc khảo sát ảnh hưởng của sai số tới sai lệch vị trí và hướng của khâu cuối cũng như bài toán xác định sai số khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác trong robot công nghiệp được chính xác hơn.
- KHẢO SÁT SAI SỐ ROBOT CÔNG NGHIỆP 4.1 Giải thuật và chương trình tính toán sai lệch vị trí và hướng DT.txt - khai báo dữ liệu cấu trúc robot, DT_ER.txt - khai báo dữ liệu sai số hình học của robot, EQT.txt – tự động thiết lập phương trình động học, START.txt – xác định trạng thái ban đầu, RUN_FW.txt – tính toán sai số vị trí và hướng của EF.
- 4.2 Khảo sát sai số trong robot hàn điểm 4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát Chọn robot hàn điểm cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, 6 khớp quay trên dây truyền hàn thân xe ô tô.
- Ta có kết quả khảo sát khi cho giá trị sai số hình học, động học như sau: Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật tính sai lệch vị trí và hướng của robot18 Trường hợp 1: Cho các sai số của các tham số d rad da mm dd mm d rad.
- Đồ thị sai lệch vị trí khâu thao tác (1 – xanh: chính xác, 2 - đỏ: khi có sai số) Đồ thị sai lệch về hướng của khâu thao tác Tương tự như vậy, ta có thể khảo sát cho nhiều trường hợp khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của sai số đến sai lệch vị trí và hướng.
- 4.3 Khảo sát sai số trong robot hàn hồ quang Mô hình robot hàn hồ quang đã được chỉ ra ở Chương 2.
- Cho các tham số động học của robot: a1 = 209,38.
- d6 = 396,2 (đơn vị là mm) và qi Hình 4-1: Mô hình robot hàn thân xe và quỹ đạo các điểm x) y) z) x) y) z) Hình 4-2: Mô phỏng kiểm tra sai lệch của khâu thao tác do sai số a – khi không có sai số, b - khi có sai 19 = i (i=1, 6) là các biến khớp.
- Hình 4-5: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot 4.4 Kết luận chương 4 Đã xây dựng được chương trình khảo sát sai số.
- Có thể thực hiện với số lượng tính toán đủ lớn để đánh giá ảnh hưởng sai số của từng tham số đến sai lệch vị trí và hướng của robot.
- Việc khảo sát sai số rất ý nghĩa trong quá trình thiết kế một robot mới, thông qua kết quả khảo sát ta có thể điều chỉnh yêu cầu về dung sai chế tạo, lắp ráp các khâu, khớp robot và cũng có thể cân đối, phân bổ dung sai chế tạo ở các khâu, khớp sao cho hài hòa, dễ đạt dung sai khi chế tạo để hạ giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo robot đạt độ chính xác cần thiết.
- NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SAI SỐ HÌNH HỌC, ĐỘNG HỌC CỦA KHÂU, KHỚP ROBOT 5.1 Cơ sở phương pháp xác định sai số của khâu, khớp jRde: véc tơ sai lệch vị trí và hướng thực tế của robot tại điểm đo thứ j.
- Khi đó: jRmj njde X X (5.1) e: gia số sai lệch biểu diễn bởi hiệu số giữa sai lệch thực tế jRdecủa robot so với sai lệch từ mô hình sai số Mde.
- (5.2) Tại mỗi vị trí ta đó 6 giá trị sai lệch: ,,px py pzdr dr drvà ,,xyzdp dp dptrong khi số ẩn cần tìm là các sai số lớn, nên ta cần có số điểm đo đủ lớn để có nhiều phương trình và cũng là để khử sai số ngẫu nhiên của dụng cụ đo, sai số khi đọc kết quả đo.
- Dưới đây là ví dụ kết quả sử dụng giải thuật di truyền xác định sai số cho: một trường hợp đơn giản là robot có 2 khâu phẳng và một trường hợp robot 6 bậc tự do, không gian làm việc ba chiều.
- 5.3 Ứng dụng giải thuật di truyền xác định sai số của khâu, khớp robot 5.3.1.1 Xác định sai số hình học, động học cho robot 2 bậc tự do Xét robot 2 khớp quay phẳng như Hình 5-4, do vậy ta chỉ có phương trình động học xác định vị trí của robot.
- Mô hình sai số theo phương pháp vi phân trực tiếp phương trình động học như sau cos sin sin.
- Kết quả xác định sai số bằng GA như Hình 5-5 và Bảng 5-3.
- 5.3.1.2 Xác định sai số hình học, động học cho robot 6 tự do Xét robot như Hình 2-13 với các tham số như mục 2.4.1.3.
- Giả sử bằng dụng cụ đo, ta có dữ liệu đo sai lệch tại 10 điểm đo như Bảng 5-4: Bảng 5-4 Bảng trích lược dữ liệu đo sai lệch tại 31 điểm đo Sai lệch Điểm đo 1 Điểm đo 2 Điểm đo 3 Điểm đo 4 Điểm đo 5 Điểm đo 6 Điểm đo 7 Điểm đo 8 … ()pxdr mm pydr mm pzdr mm xdp rad ydp rad zdp rad Kết quả trung bình sau 5 lần chạy GA như Bảng 5-10: Bảng 5-10: Giá trị trung bình của 24 sai số tham số hình học, động học sau 5 lần chạy GA 5.4 Kết luận chương 5 Đã thiết lập được quan hệ về mặt toán học và vận dụng được công cụ hiện đại - giải thuật di truyền, cho phép nhận kết quả lời giải nhanh, đơn giản cho bài toán nhiều nghiệm, có thể mở rộng thêm dữ liệu các điểm đo để nâng cao tính chính xác cho lời giải.
- Hình 5-5: Kết quả xác định sai số cho robot 2 bậc tự do Bảng 5-3: Giá trị sai số hình học, động học của robot 2 bậc tự do khâu 1 2 dl(mm d (rad khâu d(rad da(mm dd(mm.
- Phương pháp xác định sai số là hết sức có ý nghĩa trong việc hiệu chuẩn lại robot để nâng cao độ chính xác, nâng cao đặc tính làm việc và thời gian sử dụng robot.
- Với kết quả này, nếu phát triển được một hệ thống đo hoàn chỉnh để xác định được sai lệch vị trí và hướng của robot, ta có thể xác định cả sai số hình học, động học trong các khâu, khớp trung gian của robot công nghiệp và sẽ đưa ra lượng bù sai số của các tham số đó.
- Việc bù sai số có thể thực hiện trực tiếp trên bộ điều khiển bằng cách cập nhật lại các tham số cấu trúc trong bộ điều khiển, khi đó các tham số của mô hình điều khiển sẽ đúng với tham số cấu trúc thực của robot đã được chế tạo.
- Có thể phát triển thuật toán này để có thể xác định sai số cho các máy công cụ điều khiển số để hiệu chuẩn, nâng cao độ chính xác cho máy công cụ.
- Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án trong nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, cụ thể là: 1.
- Xây dựng được mô hình sai số biểu diễn mối quan hệ giữa sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác cho một số robot công nghiệp có cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp mà không bỏ qua sai số bậc cao khi tính toán giúp cho kết quả khảo sát ảnh 24 hưởng của sai số tới sai lệch cũng như xác định sai số khi biết được sai lệch sẽ chính xác hơn.
- Đã xây dựng được giải thuật tính toán, khảo sát sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot: Xác định sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác tác theo sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian.
- Đã thiết lập được quan hệ về mặt toán học và vận dụng được phương pháp hiện đại là thuật toán di truyền để giải bài toán nhiều nghiệm, xác định sai số trong các khâu, khớp trung gian của robot theo sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
- Là tiền đề cho việc bù sai số để nâng cao độ chính xác robot.
- Tiếp tục phát triển phương pháp và khảo sát ảnh hưởng của sai số phi hình học.
- Tạo ra công cụ đánh giá sai số và độ chính xác cho các loại robot khác như robot tác hợp, robot di động, robot dạng người, máy công cụ điều khiển số… 2.
- Xây dựng thuật toán bù sai số cho robot.
- Nghiên cứu phương pháp, công cụ xác định lượng bù sai số trực tiếp cho kỹ thuật điều khiển trực tuyến robot, máy công cụ điểu khiển số để nâng cao năng suất, chất lượng.
- [2] Phan Bùi Khôi, Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Quang Hưng (2011) Khảo sát sai số vị trí của robot hàn điểm

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt